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摘 要：
核苷酸已逐渐被看做是一种条件营养素。对于处于快速生长期的肉仔鸡、肉鸭、断奶仔猪等幼龄动物, 应该保证饲料中含有足够的核苷酸。本文分别从饲料业重点关注的提高日增重, 缩短饲养周期;增强消化功能, 降低饲料能量蛋白需求;减少腹脂沉积, 提高屠体价值;提高健康程度, 降低死淘率;以及增强甜菜碱对蛋氨酸的替代作用等五项生产性能指标出发, 初步综述和探讨了补充外源核苷酸的使用效果和对应的作用机理。旨在对增强饲料科学研究人员和从业者对核苷酸添加剂的认识, 起到抛砖引玉的作用。
关键词：
核苷酸; 饲料; 添加剂; 生产性能;
核苷酸 (Nucleotide, NT) 是生物体内重要的低分子化合物。核糖或脱氧核糖与嘌呤或嘧啶碱基合成核苷, 核苷与磷酸进一步合成核苷酸。成年动物可以依靠自身合成的核苷酸来满足肌体需要, 核苷酸摄入量不足不会表现出典型症状, 因此, 核苷酸一直被看做一种非必需的营养素。但近年来的许多研究结果表明, 补充外源核苷酸对胃肠道的生长发育、免疫系统、肝功能、脂代谢、神经细胞的营养等都有重大影响, 甚至有学者把外源核苷酸看成一种“半必需”营养素或“条件”营养素[1,2]。
已有很多文献对补充外源核苷酸的作用机理和使用效果做了一定的综述。核苷酸的基本生物学功能包括:作为DNA和RNA的合成原料、能量载体分子、调节代谢的细胞信号传导物质、辅酶和辅基的组成部分以及多种活化中间代谢物的载体等。在此基础上, 一些文献综述了核苷酸对动物消化道、肝脏、免疫系统的作用, 还对核苷酸的抗氧化、抗应激、条件脂肪代谢, 促进性腺发育等作用[3,4]。关于核苷酸应用则主要涉及对猪、鸡和水产动物生产性能的影响[5,6,7]。但对这些生理功能与使用效果之间对应关系的阐述并不多。
本文以外源核苷酸的部分表观应用效果为脉络, 对其作用原理进行初步分析和探讨。很多表观生产性能指标之间具有相互联系性。另外核苷酸对畜禽生产性能的作用也非常复杂, 并非都一一对应, 这都给综述带来不少困难。下面简略介绍核苷酸饲料添加剂, 并从五种受到饲料行业重点关注的应用效果出发, 尽力梳理核苷酸与这些效果对应的作用机理, 希望对增强饲料从业者和养殖户对核苷酸添加剂的认识起到抛砖引玉的作用。
1 饲料中核苷酸添加剂
1.1 动物对外源核苷酸的需求
不同生长阶段和不同生理状态下, 动物对核苷酸的需要量和利用率相差很大。但大量研究结果显示, 食物中核苷酸供给充足, 动物肌体会减少内源核苷酸合成。在应激和快速生长期间, 核苷酸的需要量增加, 外源核酸利用率也相应上升。对于肉仔鸡、肉鸭、断奶仔猪等处于快速生长期的幼龄动物, 应该保证饲料中含有足够的核苷酸。在典型的断奶仔猪保育期日粮中, 胞嘧啶核苷酸 (CMP) 的浓度接近于母猪泌乳期后半期奶中干物质内所见的浓度, 但腺嘌呤核苷酸 (AMP) 、鸟嘌呤核苷酸 (GMP) 、雌黄嘌呤核苷酸 (或称为肌苷酸, IMP) 和尿嘧啶核苷酸 (UMP) 的浓度仅为母猪奶的1/5~1/2300[8,9]。
1.2 饲料原料中的核苷酸
核酸营养的本质即核苷酸营养, 没有遗传功能。日粮中的核苷酸大部分以核蛋白形式存在, 在蛋白水解酶的作用下转化为核酸, 由胰核酸酶进一步水解成单、双、三及多聚核苷酸的混合物, 再降解为单核苷酸。然后核苷酸混合物在碱性磷酸酶和核苷酸酶的作用下水解为核苷, 并有可能被进一步分解生成嘌呤和嘧啶碱基。其中, 核苷或碱基是小肠上皮细胞吸收核苷酸的主要形式。
含有细胞成分的饲料原料均为日粮核苷酸的来源。多数常用饲料原料的核苷酸含量都不高。总的来说, 核苷酸在动物肝脏、海产品含量最丰富, 豆类次之, 谷物籽实含量较低。动物内脏、禽肉和海产动物等核苷酸含量比较高, 核苷酸含量较高的原料还包括单细胞蛋白质、酵母等。
饲料的常规分析项目并不包括核苷酸分析, 对于饲料中各种核苷酸含量的数据并不多。由于碱基结构的差别, 嘌呤核苷酸和嘧啶核苷酸之间是不能相互转化的, 而嘌呤之间或者嘧啶之间能够相互转化。因此, 计算核苷酸含量时, 需要分别统计嘌呤核苷酸和嘧啶核苷酸各自的总含量。表1列举了摘自痛风病研究中与饲料有关的食物中嘌呤的总含量[10,11,12]。
1.3 核苷酸饲料添加剂的生产方法
生产核苷酸及其衍生物主要有4种方法:RNA酶解法、化学合成法、微生物发酵法以及生物催化法。其中, 酵母RNA酶解法的产品最适合用作饲料添加剂, 其生产核苷酸的工艺流程为:酵母经稀碱或浓盐抽提后, 在p H值为2.5的条件下沉淀得到RNA。再经磷酸二酯酶酶解, 得到4种核苷酸的混合液, 将该混合物经离子交换树脂分离纯化, 分离得到4种核苷酸的纯品。酶解法生产核苷酸反应收率较高, 生产工艺简单、原料来源丰富、成本低廉, 一直是我国工业化生产核苷酸的主要方法。另外, 以酵母RNA酶解法生产核苷酸, 可一次性得到4种核苷酸, 生产过程中不添加有毒有害物质, 还具有核苷酸种类全面、产品安全性高的特点。化学法生产核苷酸难以达到工业规模。微生物发酵法和生物催化法则成本较高。
2 核苷酸添加剂的使用效果及其作用机理
2.1 提高日增重, 缩短饲养周期
外源核苷酸主要通过营养作用补充从头合成核苷酸的不足;参与代谢调节促进垂体分泌生长激素;增强细胞的代谢活力, 促进细胞增殖分化等方式改善生产性能, 提高日增重, 缩短饲养周期。
2.1.1 外源核苷酸的营养性促生长作用
在快速生长或者免疫应激等状态下, 肌体细胞生长代谢和分裂增殖旺盛, DNA、RNA和蛋白质合成加快, 而上述过程都需要大量核苷酸参与, 因此动物对外源核苷酸需求量也随之加大[13,14]。Gyrgy报道饲喂添加核苷酸的低蛋白日粮的断乳小鼠比对照组小鼠体重明显增加, 而向高蛋白日粮中添加核苷酸后小鼠体重差异不显著[15]。Cosgrove报道, 补充核苷酸能使早产婴儿的平均增重、增长及头周径都高于对照组[16]。另外, 外源性核苷酸还可提高畜禽生产性能, 比如育肥猪增重率和瘦肉率提高17%~26%和8%~16%, 奶牛产奶量提高10%~15%, 蛋鸡产蛋量提高27.6%~29.6%。上述结果都表明肌体自身从头合成的核苷酸不能够满足动物的生长需要, 在日粮中补充外源核苷酸, 具有促生长的作用。
外源核苷酸还有节约氨基酸、能量和一碳单位等的营养作用。比如Glu是动物体内从头途径合成嘌呤和嘧啶碱基的供氮源, 被认为是快速分化细胞如小肠细胞的必需氨基酸[17,18]。在Glu受限的培养条件下, Ca CO-2和IEC-6细胞系细胞的生长都减慢了, 同时伴随着细胞内总ATP的耗竭, 补充核苷酸对缓解这种情况有一定的作用。
2.1.2 增强激素分泌, 参与代谢调节
某些激素或其它分子信号刺激激活腺苷酸环化酶催化ATP和GTP环化形成c AMP (环腺苷酸) 和c GMP (环鸟苷酸) 。c AMP能通过调节酶的活性来调节细胞的许多代谢过程。在有ATP存在的条件下, PKA可激活细胞内脂肪酶等许多代谢关键酶活性或抑制糖原合成酶I等酶的活性, 从而加速或抑制某些代谢反应。c AMP不仅能调节糖原合成和糖原分解酶系, 还具有调节神经递质合成、促进激素分泌的作用。此外, 一些二级促激素也是通过c AMP途径促进次级激素合成的。如, 促肾上腺皮质激素结合到肾上腺皮质细胞可增加c AMP浓度, 激活合成酶, 促进皮质酮、醛甾酮的合成。促滤泡激素促进卵巢细胞雌二醇、孕酮的合成, 也是依靠c AMP途径。c AMP和c GMP还具有促进对肉鸡垂体细胞释放及分泌生长激素的作用[19]。
2.1.3 促进细胞代谢和功能, 影响基因表达, 调控细胞增殖分化和凋亡骨髓、淋巴细胞、血细胞、毛囊细胞、小肠细胞、皮肤、生殖器中相关细胞等都属于代谢较快的增殖细胞系。这些细胞系大都不具备从头合成核酸的能力, 其代谢和功能均需要充足的核酸营养供给。大量医学类文献报道了补充外源核苷酸对淋巴细胞、血细胞增殖、加速毛发生长的促进作用, 而更多的文献则主要研究了核苷酸对小肠细胞的作用。肠细胞的增殖和分化需要AMP、CMP、UMP、IMP和GMP等5种核苷酸。AMP的主要作用可能是影响细胞分化, 而其它核苷酸主要是促使细胞增殖, 添加AMP会导致小肠上皮绒毛细胞凋亡[20]。细胞的凋亡区别于细胞坏死, 受到Bcl-2和Bax基因的调控, 向胎儿小肠上皮细胞培养基中添加AMP会抑制腺窝细胞增值, 提高诱导细胞脱落的Bax基因m RNA的水平, 加速衰老细胞的程序性死亡。这说明细胞加速脱落则可促进小肠上皮细胞的增殖分化。
2.2 增强消化功能, 降低饲料能量、蛋白需求
核苷能通过影响肠道RNA和DNA含量而影响肠道蛋白质的合成和其它一些功能。充足的外源核苷酸能够加速小肠细胞生长、分化和修复;增强消化机能, 促进消化腺体分泌, 提高饲料转化效率;增强肠道损伤的修复功能;并且改善肠道微生物区系。上述作用最终表现为降低幼龄动物对日粮中能量和蛋白水平需求的效果。
2.2.1 对肠道结构生长发育的影响
肠道的发育和成熟需要外源NT供给。肠道细胞缺少从头合成嘌呤的几种关键酶, 因此以氨基酸、一碳单位和二氧化碳等物质“从头合成”含N碱基的能力有限[21]。但肠道细胞中, 以外源碱基或核苷合成核苷酸的“补救合成”途径的相关酶的含量较肝脏多。Witte等 (1991) 的一项研究表明, 初生小鼠胃肠道前端5'-核苷酸酶、碱性磷酸酶、腺嘌呤降解酶、嘌呤核苷磷酸化酶等的表达和产量上升, 这表明在进化过程中肠道核苷酸补救合成途径较从头合成途径具有优势[22]。
肠道细胞代谢以及肠道结构的生长发育, 对饲料中的限制核苷酸相当敏感。动物饲喂含有充足蛋白质但无核苷酸日粮时, 其体内RNA的含量显著降低。反之, 只要饲料中有充足的外源核苷酸, 即使缺乏蛋白质, 仍可维持小肠滤泡细胞的生长。给断奶小鼠分别饲喂不含核苷酸的纯合日粮和添加0.8%的核苷酸的同样日粮, 2周后两组小鼠前端肠道的绒毛高度、肠壁厚度、总蛋白和DNA含量饲喂NT日粮组明显高于纯合日粮组[23]。在缺乏蛋白质的大鼠日粮中加入核苷酸混合物, 蛋白质缺乏组小肠有明显损伤, 添加核苷酸则显著提高绒毛高度、腺管深度和肠壁厚度[24]。
2.2.2 对消化功能的影响
肠道中的内源消化酶都是由m RNA在核糖体上合成, 然后在内质网和高尔基体上加工、分类、包装、运输等合成分泌蛋白, 在通过胞吐分泌到细胞外的。而肠道酶活性变化是与肠道和腺体细胞中m RNA含量相一致[25]。日粮中补充的外源核苷酸能够促进m RNA合成, 增加消化酶的分泌, 从而提高肌体对日粮中能量和蛋白的消化吸收效率。很多实验观察到在日粮中添加核苷酸可影响多种消化酶的分泌。如添加核苷酸后, 动物消化道内部碱性磷酸酶、亮氨酸基肽酶、γ-GT酶、麦芽糖酶、蔗糖酶和乳糖酶, 以及小肠粘膜中总蛋白酶的活力都有不同程度的增加。实验导致的慢性腹泻小鼠的恢复中, 在小肠内壁添加核苷酸可以增加DNA的浓度和乳糖酶、麦芽糖酶和蔗糖酶的活力。Carver等观察到婴幼儿进食添加核苷酸的饮食90min后, 其肠系膜上动脉血流速度增加[26]。Arnaud等指出外源核苷酸可促进慢性腹泻之后的回肠线粒体功能的早期恢复[27]。
补充外源核苷酸还可通过增加环腺苷酸生成量c AMP影响消化功能。环腺苷酸c AMP可激活碳酸酐蛋白激酶, 后者可使碳酸酐酶磷酸化而激活, 催化CO2形成碳酸, 碳酸再分解放出H+, 对调节细胞的酸碱平衡有重要作用, 而且此过程可使胃酸增加, 有利于食物消化。
2.2.3 促进肠道损伤恢复的作用
外源核苷酸能加速由于应激感染或肠道切除导致的肠道损伤的恢复, 还对缓解肠道炎症起积极的作用, 能改善试验性慢性腹泻的小鼠肠道粘膜形态[28,29,30]。切除大段小肠后, 残余的小肠会出现粘膜增生以弥补小肠总体积的减少。小鼠切除80%肠道7d后, 补充核苷酸混合物, 残余空肠的总重和粘膜重量以及小肠蛋白质、DNA、RNA含量都明显高于未添加组。说明外源嘧啶核苷酸和嘌呤核苷酸有助于肠道切除术后早期阶段维持肠粘膜的完整性, 减轻粘膜的萎缩和增加小肠细胞的周转。添加NT还有助于亚致死量放射性诱导的肠道损伤的恢复。Uauy等报道, 小鼠在受到放射损伤后饲喂添加0.8%NT的日粮后, 死亡率明显降低, 小肠炎症部位减少, 肠道麦芽糖酶和蔗糖酶活性提高[31]。
2.3 减少腹脂沉积, 提高屠体价值
大量实验证实了外源核苷酸调节脂肪代谢, 促进脂肪分解利用的作用。Boza等研究了核苷酸对断乳大鼠血浆脂肪酸的影响, 将21d的断乳大鼠喂标准半纯化食物或喂加有每100g食物中各含250mg的胞苷一磷酸 (CMP) 、UMP、GMP、腺苷一磷酸 (AMP) 和肌苷酸 (IMP) 核苷酸共4周, 结果表明:核苷酸饮食使大鼠总的血浆脂肪酸明显增加[32]。Axelsson等研究证实, 食用人奶及添加核苷酸组婴儿的血浆甘油三脂高于食用商品乳代品组[33]。
核苷酸调节脂肪代谢的作用可能是通过ATP和GTP环化生成c AMP和c GMP调节脂肪代谢, 减少腹脂沉积, 提高酮体价值的。c AMP可通过PKA激活脂肪蛋白激酶, 使脂肪水解关键酶———激素敏感性甘油三酯脂肪酶磷酸化而激活, 从而促进脂肪水解为甘油和游离脂肪酸。脂肪酸被转移到血液中, 结合在血清白蛋白里, 然后被转运到其他组织中, 特别是心脏、肌肉、肾等组织, 进入氧化和三羧酸循环, 产生ATP作为细胞的能源。放射性同位素标记实验结果也显示, 外源性c AMP使甘油的代谢规律发生了明显的变化, 3H-Glycerol含量高于正常生理状态, 而外源性c GMP和c AMP的混合作用使体内3H-Glycerol含量显著低于正常生理状态。充分说明了外源性c AMP对脂肪的动员有明显作用, 而c GMP对脂肪的合成有较小作用[34]。
2.4 提高健康程度, 降低死淘率
2.4.1 增强免疫系统机能
从核酸对机体各系统的影响来看, 免疫系统是最敏感也是最直接受影响的系统。外源核苷酸促进免疫功能与参与免疫的大部分细胞不能合成足够的核苷酸有关。补充核苷酸能增强对金黄色葡萄球菌和白色念球菌的抵抗力[35,36];提高机体T细胞依赖性抗原的抗体水平[37];增加脾脏中的Ig G和Ig M分泌细胞[38]。增强巨噬细胞的吞噬能力和超氧化物产量。增强增殖的脾淋巴细胞白细胞介素-2 (IL-2) 产量和IL-2受体 (IL-2R) 及ly-1表面标志的表达[39]。
核苷酸主要影响T细胞依赖性的体液免疫和细胞免疫, 而且其对体液免疫的影响也是通过细胞免疫介导的, 但对非T细胞依赖型抗原的体液免疫应答没有影响。这是由于为两种免疫细胞核酸代谢不同, T细胞内的酰苷脱氨酶、嘌呤核苷磷酸化酶、次黄嘌呤磷酸核糖转移酶活性较B细胞的高。外源核苷酸主要作用于T细胞的数量和早期分化以及辅助T细胞 (Lyt或CD4) 亚群, 即抗原递呈的最初阶段和各类免疫细胞的增生阶段[37,39,40]。淋巴细胞的增埴与其细胞内核苷酸库的水平和细胞膜上核苷跨膜转运蛋白表达水平的变化是一致的。
2.4.2 改善肠道微生物区系分布
外源核苷酸促进肠道中双歧杆菌和乳酸杆菌的生长, 促进肌体健康。Gil A.等人在临床实验比较母乳喂养、补充NT代乳品组的婴儿胃肠道微生物群落时发现, 母乳喂养组婴儿排泄物中双歧杆菌和乳酸杆菌的百分含量显著高于未补充NT代乳品组, 而革兰氏阴性菌的量低于未补充NT代乳品组。补充NT组的结果介于前两之间, 但更接近于母乳喂养组。也就是说, 核苷酸可以促进胃肠道微生物群落的发育, 使得双歧杆菌占优势。补充外源核苷酸增加了双歧杆菌的含量对婴儿有许多有益的作用, 它可以水解糖类产生乳酸, 降低大肠内p H值, 从而抑制病原微生物的存活和繁殖, 抑制导致腹泻的肠道细菌的生长。
在幼龄动物日粮中补充核酸, 可减少因饲料变化导致的仔猪断奶腹泻, 提高采食量和生长速度。Nunez等研究表明, 刚断奶的大鼠用乳糖致其腹泻, 并用乳糖持续饲喂两周后随机分为两组, 对照组喂给无外源核苷酸饲料, 试验组饲喂补充0.5%外源核苷酸的同样饲料, 4周后试验组大鼠血清的乳糖酶、蔗糖酶和麦芽糖酶活性都高于对照组, 而且试验组的绒毛高度和腺窝深度均比对照组增高, 线粒体基质密度和嵴也接近正常大鼠, 说明外源核苷酸改善了大鼠腹泻病的状况[30]。
2.5 增强甜菜碱对蛋氨酸的替代作用
动物体内蛋氨酸除了用于合成蛋白质之外, 主要有3条代谢通路, 即通过转氨基、转甲基和转巯基作用, 把这些基团用于生成其他化合物。蛋氨酸中含有S甲基, 可参与多种转甲基反应生成含甲基的生理活性物质。
蛋氨酸在腺苷转移酶催化下与ATP反应生成S-腺苷蛋氨酸 (S-adenosglmethiomine, SAM) 。SAM是体内最主要的甲基供体, 其分子中的甲基是高度活化的。SAM可在不同甲基转移酶的催化下, 将甲基转移给各种甲基受体而形成许多甲基化合物, 如肾上腺素、胆碱、甜菜碱、肉毒碱、肌酸等。SAM转甲基后, 生成腺苷高半胱氨酸, 又进一步水解为高半胱氨酸 (Homocysteine, Hcy) 。Hcy作为重要的代谢中间产物, 可通过甜菜碱高半胱氨酸甲基转移酶和5-甲基四氢叶酸高半胱氨酸甲基转移酶催化下, 从甜菜碱或者四氢叶酸等化合物中获取甲基, 再甲基化生成Met, 或者发生不可逆的转巯基反应, 生成胱硫醚, 并进一步生成半胱氨酸。
其中转甲基通路和再甲基化通路构成了蛋氨酸循环。蛋氨酸循环生成的蛋氨酸实际上来自同型半胱氨酸, 而半胱氨酸又只能由蛋氨酸转变而来, 所以体内实际上不能合成蛋氨酸, 必须由食物供给。蛋氨酸循环的作用就是间接利用甜菜碱和四氢叶酸等物质提供肌体生长所需的甲基, 避免蛋氨酸的大量消耗。ATP在蛋氨酸循环启动中起到关键的作用。蛋氨酸与ATP反应生成SAM是整个蛋氨酸循环的起始步骤。处于快速生长期的幼龄动物对核苷酸的需求增加, 补充外源核苷酸有利于满足体内ATP合成需求, 从而增强蛋氨酸循环的作用, 减少蛋氨酸消耗。
武彬,井庆川,刘雪兰,阎佩佩,魏祥法,张燕,石天虹,姬大庆.核苷酸饲料添加剂的使用效果及作用机理探讨[J].家禽科学,2014(12):45-50.
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